一种具有超远距离变频启动功能的船载升压装置及方法

本发明属于电力传输，尤其涉及一种具有超远距离变频启动功能的船载升压装置。

背景技术：

1、船载升压柜主要将低电压转换为高电压，以满足深海重载作业装备的电力需求。针对大功率的水下电机，常常采用变频启动的方式来降低其启动电流，缓解大电流对电网的冲击。已有部分专利采用一台变频器实现多台电机变频启动，有部分专利根据进线电压的大小自动选择三相自耦变压器的挡位来满足电机正常启动的电压需求。除此之外，还有部分专利通过调节排气孔的大小来降低湿度对升压柜内部的影响，或者设置防潮通风装置来保障升压柜的正常运行。

2、船载升压柜面临着深海重载作业装备高电压、大功率、远距离的电力供应难题。在克服船上雨水侵蚀、海浪扑打复杂作业环境的同时，还要解决密闭空间大功率变压器长期工作下快速散热的技术挑战。另外，大功率的水下电机往往需要变频启动来降低启动电流，而随着供电距离的增加、变频器容量的增大，所产生的高次谐波干扰越大，将会严重影响电气设备的正常运行。同时，陆地调试与远距离海试电压降差异较大的作业场景，也给船载升压柜提出了更高的设计要求。

3、现有的部分专利仅适用于陆地设备的调试使用，并未针对船上作业环境进行适应性改造，部分专利进行防潮通风改造后并未兼具大功率变压器防水散热的要求。除此之外，部分专利只能做到多台电机逐台启动，不能实现多台电机即可同时启动，又可独立启动的功能。部分专利设置多挡变压器稳定输出电压，结构复杂，而且不能兼容多种规格输入电压。

4、现有设备随着供电距离的增加、变频器容量的增大，所产生的高次谐波干扰越大，将会严重影响电气设备的正常运行。

5、最接近的现有技术1：

6、技术描述：一种标准的船载升压柜设计，主要用于将低电压转换为适用于深海重载作业装备的高电压。这类设计通常包含基本的变压器和控制系统，可用于大功率水下电机的电力供应。

7、存在的技术问题：

8、1. 有限的升压能力：传统船载升压柜无法提供足够的电压以满足特定深海作业装备的高电压需求，限制了其适用范围。

9、2. 谐波干扰问题：在大功率变频启动时，产生显著的高次谐波，这会对其他电气设备造成干扰，影响整体系统的稳定性。

10、3. 缺乏有效的散热系统：长时间运行下的高功率变压器导致过热问题，尤其在密闭或狭小的船舱内，散热效率低下。

11、最接近的现有技术2：

12、技术描述：一种高效的船载电力系统，设计用于提供稳定的电力供应并支持多台电机的同步启动。该系统包含多挡变压器和先进的控制单元，用于适应不同规格的输入电压和输出需求。

13、存在的技术问题：

14、1. 复杂的控制系统：多挡变压器和高度复杂的控制系统导致操作和维护的难度增加，影响系统的可靠性和使用寿命。

15、2. 适应性不足：该系统未充分考虑远距离供电和海洋环境的特殊要求，例如，对于远距离变频启动的高次谐波干扰和恶劣的海洋环境适应性不足。

16、3. 散热效率不足：虽然具有一定的防潮通风设计，但对于大功率变压器在密闭环境下的快速散热仍然不足。

17、接近的两项现有技术在高电压、大功率船载电力系统的设计方面存在一定局限性，特别是在高次谐波干扰处理、远距离电力供应、环境适应性和散热效率方面的不足，这些问题影响整体系统的性能和可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有超远距离变频启动功能的船载升压装置。

2、本技术方案是一种具有超远距离变频启动功能的船载升压装置，它由变频交流系统、直流升压系统、散热系统和照明系统组成。变频交流系统可以将输入的380v/440v电压升压到4500v，同时支持设置输出频率和输出电压。直流升压系统可以输出3000v的直流电以满足不同负载的电力需求。散热系统则监测温度和湿度以调整散热参数，当环境温度超过阈值时，会触发过温保护并自动断电。照明系统则包含灯、插座、应急灯和开关。此外，低压控制柜用于控制各系统的电力输入并监视其电力状态。整个装置设计有操作通道和维护通道，方便作业人员操作和维护设备。

3、本发明是这样实现的，一种具有超远距离变频启动功能的船载升压装置，由变频交流系统、直流升压系统、散热系统、照明系统构成，通过低压进线箱接入380v/50hz或者440v/60hz的电源，经由变频交流系统输出4500v的交流电以及直流升压系统输出3000v的直流电，通过高压出线箱接出，输送到负载端。

4、进一步，交流变频系统由低压控制柜、预充电柜、变频启动柜、交流滤波柜、开关切换柜构成，预充电柜用来缓解大容量变频器功率单元瞬时启动对交流回路的冲击，变频启动柜用来将输入的380v/440v升压为4500v交流，同时支持设置输出频率和输出电压，交流滤波柜用来过滤交流信号中的高次谐波，提高电路的可靠性和稳定性，开关切换柜用来控制水下电机的启停，支持独立运行、同时运行工作模式。

5、进一步，直流升压系统由低压控制柜、直流升压柜构成，直流升压柜支持设置输出电压和输出电流，满足不同负载的电力需求。

6、进一步，散热系统由风机、空调、环境监测仪、空调外机构成，环境监测仪用来监测集装箱内的温度和湿度，方便作业人员观察箱内环境，调整散热系统的参数，当环境温度超过阈值温度时，会触发过温保护，自动断电，并且发出警报。

7、进一步，照明系统由灯，插座，应急灯，开关构成。

8、进一步，低压控制柜用于控制交流变频系统、直流升压系统、散热系统、照明系统的电力输入，监视其电力状态，同时可通过低压进线箱的网线传输至上位机，进行远程监测和操控。

9、进一步，作业人员由集装箱门进入船载升压装置操作，前方为操作通道，供作业人员进出操作装置，后方为维护通道，装置故障时可在此检修排查。

10、本发明的另一目的在于提供一种使用具有超远距离变频启动功能的船载升压装置的方法，步骤包括：首先，通过低压进线箱接入380v/50hz或者440v/60hz的电源；然后，利用变频交流系统将输入电源升压至4500v的交流电；接着，利用直流升压系统输出3000v的直流电；最后，通过高压出线箱将升压后的交流电和直流电输送至负载端。

11、本发明的另一目的在于提供一种使用具有超远距离变频启动功能的船载升压装置进行散热的方法，步骤包括：首先，利用环境监测仪监测集装箱内的温度和湿度；然后，根据监测结果，调整风机和空调的工作参数以达到合适的散热效果；当环境温度超过设定的阈值温度时，启动过温保护功能，自动断电，并发出警报。

12、本发明的另一目的在于提供一种使用具有超远距离变频启动功能的船载升压装置进行远程监控的方法，步骤包括：首先，通过低压控制柜控制交流变频系统、直流升压系统、散热系统、照明系统的电力输入，并监视其电力状态；然后，通过低压进线箱的网线将监测到的电力状态传输至上位机；最后，通过上位机进行远程监控和操控。

13、第一，针对上述现有技术存在的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

14、1、为解决船上复杂作业环境对电气部件的影响。本发明采用集装箱式的结构设计，满足ip56防护等级的船用设备要求，有效阻挡雨水侵蚀、海浪扑打、阳光暴晒。同时，根据集装箱的内部尺寸以及电气设备的散热量，合理设置风机和空调的双重散热系统，实现了密闭空间大功率变压器长期工作下的快速散热。此外，集装箱兼具吊环和锁孔，便于吊放、运输和甲板固定安装。

15、2、为增加电机启动过程的稳定性，本发明采用载波移相单元级联多电平变频技术，实现大功率水下电机超远距离变频启动，有效降低启动电流，防止大电流对船电端、光电复合缆、电机端的冲击，同时结合内置的开关切换装置实现水下电机的独立控制、同步控制等多种工作模式。并且配置交流滤波装置，抑制高次谐波，输出更优质的电压波形。此外，变频输出电压支持自主设置，有效解决陆地调试场景与海试场景电压降差异较大的难题。

16、3、本发明为适配陆地调试与海试不同的电力需求，配置多种电力规格的电源接入点，可随时切换电力规格，既支持陆地调试380v/50hz的电力，也可满足船电440v/60hz的使用要求。

17、4、本发明创造性地采用交流、直流独立输送控制的技术方案，满足多种类型负载同时工作的使用场景，实现水下交流电机和水下直流推进器的电力供应互不干扰，防止变频交流对直流系统的冲击，同时可应对交流负载故障时，直流负载正常工作维持水下设备正常回收的紧急情况。

18、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

19、1、本发明采用集装箱式的结构形式，可以起到挡雨防晒的作用，很好地适应船上复杂的作业环境，而且吊环和锁孔的设计，满足陆地运输和船上甲板的安装要求，极大地拓宽了电气设备的使用场景，具备海陆通用的优势。

20、2、超远距离变频装置、开关切换装置和交流滤波装置的巧妙结合，不仅满足水下6000米级交流电机平稳启动、高效运行的需求，而且支持多台电机独立启动、同步启动等多种工作模式，为深海重载装备超深水作业提供了电力保障。

21、3、此外，灵活设置变频输出电压，克服了陆地调试与海试电压降差异较大的难题，支持深海重载装备全周期测试差异化的电力需求。

22、4、交流、直流独立输送控制的技术创新，同时满足交流负载（水下异步电机等）和直流负载（推进器等）的作业需求，当交流负载故障时，直流负载仍可正常工作，提供艏向角控制和感知视野，保障了深海装备紧急回收的作业安全。

23、5、多种电力规格接入点的巧妙设计，兼具陆地调试电源与船载调试电源的接入要求，拓宽了船载升压装置的应用场景，降低了深海作业装备的调试成本。

24、6、总的来说，本发明支持深海作业装备多样化的负载电力供应，适应其差异化的测试场景，为深海重载装备的研发和调试提供了很好的电力保障。

25、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

26、本发明可有效降低大功率深海作业装备的启动电流，为深海作业装备的超深水作业提供了电力保障，并且供给电力的稳定性和多样性可广泛应用于多种海洋装备，为深海作业装备的商业化开发奠定了基础，推动国内深海采矿装备的发展和进步。凭借安全性高、环境适应性强、使用便捷、功能全面等优势，本发明有望在海底矿产资源勘探开发、海洋环境探测、海底机器人作业等海洋工程项目，深海采矿装备、rov、海底铺缆机器人、滨海清扫机器人等海洋装备进行推广，具有广泛的应用前景和商业价值。

27、第四，本发明提供的船载升压装置具有超远距离变频启动功能，其显著的技术进步体现在以下几个方面：

28、1）高效的电能转换与输出能力：该装置能够接入380v/50hz或440v/60hz的电源，并通过变频交流系统和直流升压系统将电源输出为4500v的交流电和3000v的直流电。这种高效的电能转换和输出能力对于船载设备来说至关重要，尤其是在需要大功率供电的情况下。

29、2）精准的电压与频率控制：变频启动柜能够将输入电压升至4500v，并支持设置输出频率和电压，这允许更精准地控制电力供给，满足不同船载设备的需求。

30、3）改进的电路保护和稳定性：交流滤波柜的使用可以有效过滤高次谐波，提高电路的可靠性和稳定性，减少电气设备的损耗和故障率。

31、4）环境适应性和散热效率：散热系统的设计（包括风机、空调、环境监测仪和空调外机）确保了设备在高温和湿度环境下的稳定运行，提高了设备的环境适应性和使用寿命。

32、5）增强的安全性和警报机制：当环境温度超过阈值时，自动的过温保护和断电机制，加上警报系统，为操作人员提供了额外的安全保障。

33、6）远程监控与操控能力：通过低压进线箱的网线传输至上位机，可以实现远程监测和操控，这对于提高运行效率和减少人为操作错误至关重要。

34、7）人性化的操作与维护设计：集装箱门的设计和前后通道的划分，为作业人员提供了方便的操作和维护环境，提高了维护效率和安全性。

35、本发明提供的船载升压装置的设计充分考虑了海上环境的特殊性和船用电力系统的复杂需求，其技术进步在于提供了高效、稳定、安全且可远程控制的电力解决方案。这对于现代船舶和海上设施的电力供应具有重要意义。